适于极端环境服役的钛锆基合金成分设计及组织调控与耐腐蚀性能的关联性研究

With the development of modern industry, traditional corrosion-resistant structural materials cannot meet the usage requirement in extreme corrosive environments. In order to solve this problem, the project aims to develop a new TiZr-based alloys with high corrosion resistance and excellent mechanical properties based on the previous works. The influence of the alloying composition on the corrosion behavior of the TiZr-based alloys will be systematically investigated by XRD, XPS, EPMA, SEM, TEM and the electrochemical measurement system. And the related theoretical model between the alloying composition and the corrosion properties will be established through this work. The effect of the microstructure, which including the structure morphology, the grain size, the second phases, the dislocation density, the dislocation distribution, etc., on the corrosion behavior of the TiZr-based alloys will also be studied. The relationships among the technical parameters, the phase composition, the microstructure and the properties can be revealed. Basing on these researching results, the novel corrosion-resistant TiZr-based alloys with high strength and toughness are prepared through adjust the alloying composition and the microstructure. Then, the research is emphasized on the variation regularity and the mechanism of the corrosion behavior of the TiZr-based alloys in extreme corrosive environments, thereby establishing the relationships between the corrosion properties and the influencing factors, which including the alloying composition, the microstructure, the corrosive medium, the temperature, the pressure and the irradiation. This work will provide experimental as well as theoretical fundamentals on enriching the corrosion theory of Ti alloys and developing high-performance corrosion-resistant structural materials.

针对极端特殊腐蚀环境下传统耐蚀结构材料已很难满足使用要求这一问题，本项目在前期工作的基础上，提出了开发具有高抗腐蚀性兼具优异综合力学性能新型钛锆基合金的新思路。利用XRD、XPS、EPMA、SEM、TEM、电化学工作站等分析测试手段系统研究合金元素组成及比例对腐蚀性能的影响规律，构建合金元素与腐蚀性能的相关性模型。探明微观组织结构（如组织形貌、晶粒尺寸、第二相特征、位错密度及分布等）对新型钛锆基合金腐蚀性能的影响机制，建立工艺参数-相组成-组织结构-性能之间的定性关系。在此基础上，通过调控合金成分及组织结构制备新型高强韧耐蚀钛锆基合金。并重点研究新型钛锆基合金在极端特殊环境下腐蚀性能的变化规律，建立组元、结构、介质、温度、压力和辐照及其耦合作用与耐蚀性能之间的关系，揭示新型钛锆基合金在极端特殊环境下的腐蚀机理。本项目的研究为丰富钛合金腐蚀理论和研制高性能耐蚀结构材料提供技术基础和理论依据。

极端或特殊的腐蚀环境越来越多，对传统耐蚀金属结构材料的力学及耐腐蚀性能提出了更加苛刻的要求，而新型钛锆基合金在这方面具有广阔的应用前景。基于此，本项目开展了如下研究内容：1）合金元素对新型钛锆基合金腐蚀及力学性能的影响规律研究；2）新型钛锆基合金相组成、组织结构及性能之间的关联性研究；3）新型钛锆基合金在极端特殊环境下腐蚀行为与机理研究。通过研究得到了以下主要结果：1）根据钛锆基合金的相变规律并结合成分设计理论开发了一系列含钒、铬、钼、铝、钇等元素的新型高强韧耐蚀钛锆基合金体系，并系统研究了新型钛锆基合金的力学性能及其在不同介质中的腐蚀行为，分析了合金成分及比例对其腐蚀及力学性能的影响规律，建立了合金成分、腐蚀介质与性能三者之间的关联性，揭示了新型钛锆基合金的成分与性能关系的调控原理；2）研究了新型钛锆基合金塑性变形及热处理过程中相组成和微观组织结构演化规律，分析了相组成和微观组织结构对新型钛锆基合金腐蚀及力学性能的影响规律，剖析相组成、组织结构与性能之间的关联性，由此优化了工艺参数，获得了高性能新型钛锆基合金；3）针对钛锆铝钒四元合金开展了高温、高压、高浓度酸、碱、盐环境下的腐蚀性能研究，研究发现在3.5%NaCl溶液中，200℃温度环境下，1 MPa、6 MPa和10 Mpa的压力环境下合金未发生明显腐蚀现象，在5mol/L的NaOH、NaCl和HCl溶液中浸泡18天也未发生明显的腐蚀失重现象；4）为进一步提高新型钛锆基合金的耐腐蚀性能，通过多种热氧/氮化处理工艺，成功在基体材料表面制备出微米级双层结构热氧化膜层和氮化膜层，相比于基体材料，热氧/氮化试样的耐腐蚀和耐摩擦磨损性能显著提高。本项目的研究成果一方面可应用于航空航天、化学工业、舰船工业和海洋工程等诸多易腐蚀领域，促进新型钛锆基合金的工程化应用；另一方面为极端环境下高性能耐蚀结构材料的发展提供理论依据和技术基础。